龙子祠泉水源地现状和保护措施研究

2021-05-13张松涛辛瑞刚

山西水土保持科技 2021年4期

张松涛辛瑞刚龚艳

（1.山西省水利发展中心，山西太原030002；2.太原理工大学环境科学与工程学院，山西太原030024））

1 基本情况

1.1 概况

龙子祠泉位于吕梁山南段东麓，临汾盆地西缘龙祠村、晋掌村一带，距离临汾市区13 km。泉水出露于临汾盆地与西山交接处的坡积物中，为构造侵蚀非全排型溢流泉。泉群出露面积0.12 km2，泉水大多以散流形式溢出，由南池、北池和东池等泉组组成，流量大约分别占总流量的40%、10%和50%。泉水有高水和低水之分，高水指的是北池和南池，高程478 m，低水指东池，高程465.2 m，相差13 m[1]。

1.2 水源地现状

1.2.1 水量

龙子祠泉的最大流量为8.39 m3/s（1965年），最小流量为2.847 m3/s（2002年）[2]。近年来通过实行关井压采、植树种草等措施，泉水水量相对稳定。2018-2020年实测平均出流量分别为3.031 m3/s 、2.915 m3/s 和2.937 m3/s。供水保证率达到95%以上。以引沁入汾和企业自备岩溶深井水源作为应急备用水源地[3]。

1.2.2 水质

水质检测结果显示，取水口水样中硫酸盐、总氮含量不符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）的III 类水质标准。泉水经过临汾市自来水公司净水厂处理后，检测项目均符合《生活饮用水卫生标准》GB 5749-2006。

1.3 监测监控情况

南泉、东泉和北泉分别进行封闭管理，周边安装有在线监控设备约36 部，水源地取水口基本实现24 h 自动视频监控。水质、水量定期监测。

1.4 监督管理与制度建设情况

龙祠泉源管理处负责水源地的管理和保护工作，有专人对水源地进行定期巡查。同时，与水利、环保等相关部门建立了水源地安全保障部门联动机制。针对水源地的实际制定了应对突发性水污染事件、洪水和干旱等特殊情况供水安全保障应急预案。

2 水源地保护工作及其成效

2.1 保护区调整

为了更好地对水源地进行保护和管理，2019年临汾市政府对龙祠饮用水水源保护区进行了调整。调整后，一级保护区面积增加了2.12 km2为13.12 km2；二级保护区圈定的面积为140.15 km2，较调整前增加0.15 km2；龙祠水源地准保护区范围不变，准保护区圈定的面积仍为2 250 km2[4]。龙祠泉源管理处对一级保护区实行逐日巡查，二级保护区实行不定期巡查，是水源地安全的重要保障。

2.2 煤矿整改

由于历史原因，龙子祠泉域保护区长期以来一直存在煤矿开采，不仅影响龙子祠泉水水量，也会对水质产生影响。近年来，临汾市政府加大整顿力度，对非法开采和不符合政策要求的煤矿进行关停。目前大多采矿企业矿坑水为零排放或达标排放。政府对采煤企业的强化管理一定程度上缓解了采煤对地下水的污染。

2.3 水源地保护工程

临汾市高度重视水源地保护工作，对龙子祠水源地实施了大量有效的保护工程，截止2020年底，共完成投资1 640 万元，实施龙祠水源地综合治理，主要包括污染整治、渠系改造和生态绿化及核心区防护等。

2.3.1 东泉全封闭保护工程

东泉是饮用水的直接供给源，所以对东泉进行全封闭，采用管式钢桁架结构，封闭结构最大高度8.1 m，封闭面积2 836.2 m2。对东泉泉池进行墙砖装修及泉池清淤，泉水清澈见底。其次，对东泉进行生态修复，改善了水源地生态环境，包括拆除东泉北部平房，院北部及南部空地进行绿化补植，面积为2000 m2。

2.3.2 南泉、北泉保护工程

近年来，先后完成了南泉、北泉污泥淘涮护砌工程、围墙、照壁整修及部分绿化工程，南北泉进行钢化玻璃封闭。这些措施有效改善了泉口环境。

2.3.3 污染整治

龙祠、晋掌两村的污水、垃圾处理工程是《临汾市龙子祠水源地生态保护工程规划报告》的一部分，主要责任部门是尧都区环保局。主要工程有龙祠、晋掌两村垃圾整治、污水处理、雨水处理、旱厕改造。

3 存在的问题及成因分析

3.1 水量

通过在泉域范围内实行的有效保护措施，泉水水量近几年来比较稳定，据龙子祠泉水流量监测结果，2011年泉水出流量平均达到3.001m3/s，2018年为3.031 m3/s，2019年为2.915m3/s，保证了城市居民正常用水。但是，龙子祠泉水水量安全仍然面临严重挑战，如图1 所示。

图1 龙子祠泉水流量变化趋势

1955-2019年年均流量呈现总体下降趋势，特别是上世纪70年代到本世纪初衰减速率最大。与龙子祠泉水流量衰减趋势对比明显的是日益增长的水资需求量，供求矛盾突出，已威胁到水资源的可持续利用。龙子祠泉域作为相对独立完整的岩溶水循环系统，水量衰减、补排关系失衡的主要原因是补给量的减少、人工排泄量的增加，表现在以下几方面。

3.1.1 气候变化影响

龙子祠泉域岩溶水的补给主要来源于大气降水。雨量大小、气温以及植被覆盖等引起的陆面蒸发量变化，最终会在岩溶泉域系统的输出量中体现出来。龙子祠泉域降水量总体表现为下降趋势。以1954-1983年和1984-2013年前后2 个阶段降水量比较，前阶段的平均降水量为558.99 mm，后阶段平均降水量为517.20 mm，所以降水量减少是引起泉水流量衰减的原因之一[2]。另外，龙子祠气温在上世纪50年代以后表现出趋势性增长的态势，特别进入80年代中后期，增长速率尤为明显。气温增加无疑会引起地表水和陆面蒸发量的增加，进而对龙子祠泉域岩溶水补给产生影响，也是泉水流量衰减的重要原因。

3.1.2 人工开采影响

1984年之前，龙子祠泉域不存在人工管井开采，对泉流量没有影响。1990年后开始打深井取岩溶水，2000年井采量为359 万m3（0.114 m3/s），2010年水利普查结果表明泉域内机井数量上升为（包括岩溶井以及泉域内山前松散层井）87 眼（实际开采的71 眼），总开采量320 万m3（0.102 m3/s），较2000年略有下降。2019年临汾市水资办调查资料显示泉域内机井为113 眼（取水层位：松散岩类孔隙水、砂岩裂隙水和岩溶水），总取水量合计487.44 万m3。除此之外，在泉域外山前岩溶水潜流区，还有松散层孔隙地下大量水开采。特别在2003年临汾市自来水的土门水源地投入运行后，开采量更是逐年增加，成为影响泉水流量的重要原因。

3.1.3 采煤对水量的影响

煤炭开采过程中会产生大量排（涌）水，正常情况这部分水量排出地表进入下游碳酸盐岩区后渗漏补给岩溶水，并不会引起岩溶水资源量的减少，但实际的情况并非如此。煤矿开采不同时期，矿井排水量变化很大，多数煤矿都是利用积水仓进行不定时排水，积水仓蓄满后进行集中排水，使得天然条件下长期缓慢的排水变为短期内集中排水。采煤改变地表产流的动态将响应到下游碳酸盐岩河段对岩溶水的渗漏补给。

此外，泉域北翼河谷结构为典型的向斜构造，轴部为煤系碎屑岩地层，两侧为碳酸盐岩地层。其中发育的3 条河流在煤矿开采后对岩溶水的渗漏补给量形成了负面影响，分别是发育在向斜轴部的昕水河、东川河和发育在东侧煤系地层较低的三交河[4]。三条河流是泉域内流经碳酸盐岩区的常年性河流，而且矿坑排水是基流量的主要组成部分。这三条河流的分布格局，造成了采煤对岩溶水补给不利的局面。故采煤排水也是龙子祠泉流量衰减因素之一[2]。

3.2 水质

龙子祠泉水中SO42-、总硬度和溶解性总固体长期以来一直偏高。1985年以前，泉域内的煤炭开采规模较小，认为当时龙子祠泉水受采煤影响较小，其检测值可视为岩溶水的环境本底值，其SO42-、总硬度和溶解性总固体含量分别为338 mg/L、493.1 mg/L和632 mg/L[5]。后期各项指标呈现上升趋势，至2013年三项指标分别增加到443 mg/L、642 mg/L 和831 mg/L。之后几年有所回落，2020年三项水质指标含量分别为SO42-369 mg/L，总硬度599 mg/L，溶解性总固体800 mg/L。龙子祠泉水中NO3--N 含量在上世纪80年代中后期约3-4 mg/L，本世纪初减低至1.0 mg/L 以下，此后又出现升高的现象，在2013年达到峰值，近几年含量稳定在1.4 mg/L 左右。此外泉水中COD 浓度、细菌菌落总数和粪大肠菌群数量也相对偏高。就泉域岩溶水水质污染的原因，可归结为自然和人为两个方面。龙子祠泉域规模大，地下水水循环周期较长，水与岩石具有充分的反应时间，受地球化学背景的影响，泉域岩溶地下水的原生污染问题比较严重。成为原生污染源的主要层位有：煤层与硫铁矿、黄土、碳酸盐岩、石膏等。唐春雷等[6]利用同位素识别研究区地下水中SO42-的来源，结果表明龙子祠泉水中SO42-源于FeS2氧化的比例为20.2%（2019年），高于2004年的SO42-(14.4%)所占比例[6]。所以，采煤活动对岩溶水的影响不容忽视。此外，龙子祠泉一级保护区内，因居民污水、垃圾的存在，也是影响水质的原因之一。

3.3 监测监控和管理

在2020年度安全保障达标建设自评估中，得分为93 分，其中准保护区综合治理为零分（满分2分），特定指标监测零分（满分3 分），信息监控系统零分（满分2 分）[3]。

4 水源地保护措施

4.1 加强水资源合理配置

泉域岩溶地下水取水应实行总量控制，统筹泉水流量与泉域内不同地区岩溶地下水开采量。开发利用泉域水资源，须优先满足城乡居民生活用水，统筹兼顾农业、工业用水和其他用水需要，兼顾地区之间的利益，保护泉域生态环境，发挥水资源的综合效益。由水行政主管部门会同有关部门进行科学考察和调查评价，科学制定泉域水资源开发利用规划，使其成为开发利用泉域水资源的基本依据。

4.2 增加岩溶地下水补给

通过分析泉域具体情况，得出泉域内增加岩溶地下水补给的途径有两条。一是修建增补工程，在泉域内可开展人工补给工程的河流有昕水河、三交河和东川河，其中三交河适宜修建人工蓄水堤坝，昕水河适宜修建渗渠，东川河适宜建渗池。此外，还可以考虑在大红峪涧河、中垛河、小峪河、岔口河等季节性河流的碳酸盐岩渗漏河段修建拦洪堤坝，增加对岩溶水的渗漏补给。二是采取植树造林措施，减少陆面蒸发量以增加对地下水的入渗或地面产流[7]。

4.3 森林水源涵养

在裸地区域、低覆盖率的区域开展植树造林，有利于对岩溶地下水的补给，部分地区采取退耕还林等措施。乔木树种中油松与侧柏的林分耗水量较小，是具备良好水源涵养作用的植物[4]。

4.4 加强采煤排水管理

由于现有的采煤方式破坏了原有煤系含水层的地质结构，造成了含水层的疏干，破坏了岩溶水原有的平衡状态。因此，要贯彻煤水并重、全面规划、统一布局、合理开发、综合利用的方针，做到既合理开发煤炭资源，又保护水资源环境，把煤炭、水资源、地质环境与社会经济的研究有机结合起来。

4.5 老窑水治理

随着关闭矿井的不断增加，煤矿老窑水问题将日益凸显，成为严重威胁水环境的重要因素[7]，开展老窑水治理刻不容缓。建议选择新关闭的煤矿，开展水质（分不同部位）和水位监测。在掌握闭坑矿井“老窑水”地下水质量动态同时，分析研究水质演化的区段机制。不同水质、水量的老窑水治理，所采取的方法均有不同的要求，为此需选择典型试点，采取循序渐进的步骤推进。

4.6 水质监控体系建设，扩大水质监测范围

为了科学合理地开发利用和保护泉域岩溶水资源，实现可持续利用的目的，必须建立健全泉域水资源的质量动态和环境监测网，加强对泉水资源的系统掌握和科学研究，为合理开发利用和保护泉域岩溶水资源，提供科学的决策依据和保护措施。要提高水质监测分析能力，建设规范统一的水质分析室。从泉域总体看，采煤对龙子祠泉域岩溶地下水的水量影响比较突出，在局部地段水质污染明显。随着闭坑煤矿增多，特别在排泄区，水质面临的问题将非常严峻，应加强与釆煤相关的环境质量监测。